Повышение энергетической эффективности сталеплавильного производства на основе использования конвертерных газов
На правах рукописи
КУРЗАНОВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОНВЕРТЕРНЫХ ГАЗОВ Специальность 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2011 2
Работа выполнена на кафедре Промышленные теплоэнергетические системы Московского энергетического института (технического университета)
Научный консультант: доктор технических наук, ст. науч. сотрудник Султангузин Ильдар Айдарович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Беленький Анатолий Матвеевич кандидат технических наук, доцент Морозов Игорь Петрович
Ведущая организация: ООО Научно–технический центр «Промышленная энергетика»
Защита диссертации состоится «22» декабря 2011 г. в 14 час. 00 мин. в аудитории Г 406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адре су 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 17.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью орга низации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказармен ная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энерге тического института (технического университета).
Автореферат разослан «21» ноября 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.10 к.т.н., доцент Степанова Т.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Одним из существенных резервов экономии топлива в промышленности является использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), которые неизбежно возникают во многих энергоемких технологических процессах.
Значительным резервом для энергосбережения в черной металлургии РФ яв ляется использование газов сталеплавильных конвертеров, потенциал оцени вается в размере 1,25 млн. т у.т. в год. В настоящее время конвертерные газы (КГ) в качестве топлива не используются и сжигаются на свечах. Одной из причин является цикличность кислородно-конвертерного процесса. Это при водит к загрязнению атмосферы СО, NOx, и образованию парниковых газов.
Потенциал снижения выбросов парниковых газов в России при использова нии КГ составляет 2,14 млн. т в пересчете на СО2.
Выбор совместной оптимальной работы конвертеров, газоотводящих трактов и системы использования конвертерного газа в качестве топлива, а так же защита окружающей среды определяет актуальность данной работы.
Дополнительным резервом снижение энергоемкости металлургического ком бината на 5-10%, является совершенствование технологии конвертерной вы плавки стали (подача угля в конвертер, подогрев лома, применение двухъя русных фурм, комбинированная продувка) с повышением доли лома и уменьшением расхода чугуна.
Цель работы.
Повышение энергетической эффективности сталеплавильного производ ства металлургического комбината за счет совершенствования энерготехно логических характеристик, отвода КГ в режиме без дожигания и использова ния конвертерных газов в качестве ВЭР.
Задачи работы:
Определить направления повышения энерготехнологической эффек тивности и разработать программы энергосберегающих мероприятий. Разра ботать модель расчета процесса конвертерной плавки и определить влияние технологических параметров на материальный, тепловой баланс и выход конвертерных газов. Определить потенциала энергосбережения: при приме нении угля и буроугольного полукокса для подогрева металлолома в конвер тере и использовании теплоты сгорания КГ в качестве ВЭР.
Разработать математические модели газоотводящего тракта и системы использования КГ. Провести численные исследования для определения ус тойчивости работы газоотводящего тракта под разряжением и системы акку мулирования конвертерных газов при давлении выше атмосферного в облас ти неустойчивых режимов. Сравнить результаты моделирования газоотво дящего тракта с данными натурного эксперимента.
Провести статистический анализ режимных параметров конвертеров:
интервалов времени между началами плавок, длительностей продувок и про цессов подогрева лома. На основе полученных статистических данных раз работать математическую модель использования КГ. С помощью данной мо дели определить оптимальную емкость газгольдера системы аккумулирова ния КГ.
Оценить влияние использования конвертерного газа и различных тех нологических параметров конвертерной плавки на энергопотребление метал лургического комбината. Определить влияние повышения энерготехнологи ческой эффективности конвертерного производства стали на снижение вред ных выбросов.
Научная новизна:
Впервые установлено, что при уменьшении объема аккумулятора КГ (газгольдера) газодинамическая система, работающая при давлении выше ат мосферного, становится более устойчивой, а при уменьшении объема газоот водящего тракта конвертера газодинамическая система, работающая при дав лении ниже атмосферного, становится менее устойчивой.
Получены зависимости расходов кислорода и углей на подогрев лома в конвертерах от длительности нагрева, расходов кислорода на продувки от длительности продувок;
длительности: подогревов лома в конвертере, проду вок и додувок;
интервалы времени между началами продувок.
Практическая ценность:
В рамках настоящей работы показано, что потенциал энергосбереже ния при использовании конвертерного газа в качестве вторичного энергети ческого ресурса составляет 210 тыс.т у.т./год для Западно-Сибирского метал лургического комбината (ЗСМК) при производстве 6.5 млн.т стали. Потенци ал снижения выбросов парниковых газов составляет 360 тыс. т СО2. Потен циал экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на металлургиче ском комбинате за счет оптимизации технологических и энергетических ха рактеристик сталеплавильного производства составляет 542 тыс. т у.т./год.
Оптимальная емкость газгольдера при использовании КГ только от кислородно-конвертерного цеха № 2 (ККЦ-2) ЗСМК получилась равной - тыс. м3, при использовании КГ только от кислородно-конвертерного цеха № 1 ( ККЦ-1) ЗСМК получилась равной - 48 тыс. м3, а в случае проектирования системы использовании КГ от обоих кислородно-конвертерных цехов ЗСМК требуется емкость газгольдера - 82 тыс. м3.
При проектировании газоотводящих трактов и систем использования КГ следует учитывать, что:
o с увеличением объема газоотводящего тракта сталеплавильного конвертера, работающего под разряжением, газодинамическая ус тойчивость возрастает.
o с увеличением объема системы утилизации конвертерных газов с давлением выше атмосферного (газгольдер, аккумулятор под дав лением) газодинамическая устойчивость падает.
Достоверность.
Приведенные в диссертационной работе результаты и выводы базируют ся на проведенных натурных экспериментах ЗСМК и численных исследова ний с использованием современных высокоточных измерительных комплек сов. Сравнение результатов численных исследований, полученных на матема тических моделях, с экспериментальными данными показывают удовлетво рительную сходимость.
Личное участие.
Основные результаты получены лично автором под руководством д.т.н., проф. Султангузина И.А.
Апробация работы.
Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на 12, 13, 14, 15 и 16 Междуна родных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радио электроника, электротехника и энергетика» (Москва. 2006 – 2010г.), четвер той Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов (г. Мо сква, МЭИ, 2008г.), пятой Международной научно-практической конферен ции в МИСиС «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов» (г. Москва, МИСиС, 2010 г.) и 12-й Всероссийской научно-практической конференции «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России». (г. Магнито горск, МГТУ, 2011 г.).
Публикации.
Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полу ченные в ходе ее выполнения, представлены в 13 публикациях, в том числе в 2-х статьях, рекомендованных ВАК журналах.
Структура и объем работы.
Диссертация изложена на 178 страницах и состоит из введения, пяти глав, выводов, приложения. Работа содержит 63 рисунка и 7 таблиц, 3 при ложения, список использованных источников содержит 57 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформу лирована цель и задачи исследования, показана научная новизна и практиче ская ценность, дана общая характеристика работы.
В первой главе приведен обзор литературы по теме диссертации, ос новной задачей которого являлся анализ структуры сталеплавильного произ водства и энерготехнологических характеристик выплавки стали на метал лургических комбинатах, схем газоотводящих трактов и способов использо вания газов сталеплавильных конвертеров. Так же проанализированы основ ные закономерности гидравлических режимов систем отвода и использова ния конвертерного газа. Представлен анализ повышения энерготехнологиче ской эффективности сталеплавильного производства и снижения вредных выбросов.
Повышение эффективности работы сталеплавильного производства сводится к полезному использованию химической теплоты конвертерного га за в качестве ВЭР переводом конвертеров в режим без дожигания, обеспече нию устойчивой работы газоотводящего тракта и системы улавливания и ис пользованию конвертерных газов. Оценен потенциал использования КГ в ка честве ВЭР сталеплавильного производства.
На основе анализа полученной информации из отечественной и зару бежной литературы в конце главы сформулированы задачи дальнейшего ис следования.
Вторая глава посвящена анализу и совершенствованию энерготехноло гической системы конвертерного производства стали. В качестве основных объектов исследования были выбраны кислородно-конвертерные цеха ККЦ- и ККЦ-2 ЗСМК. Проведен анализ энергопотребления в кислородно конвертерном производстве стали, проанализирован материальный и тепло вой баланс плавки на основе разработанной программы расчета, проведена оценка влияния энерготехнологических факторов конвертерной плавки на технико-экономические показатели сталеплавильного производства, рассчи тана динамика выхода конвертерных газов из конвертера.
Одним из важнейших показателей энергосбережения и ресурсосбереже ния является эффективное использование конвертерного газа, выходящего в процессе продувки, основной компонент которого оксид углерода (СО). Вы ход конвертерных газов и его топливный потенциал определяются на основе расчета материального и теплового баланса плавки.
Материальный баланс плавки:
(1) Gчуг. G лом G топл. GO G г. м. G КГ Gшл G пыль Тепловой баланс:
Qчуг.. Q лом Qтопл. QФХР Qг. м. QКГ Qшл Qпыли Qпот.
физ физ (2) где Gчуг., Qчуг.. - расход и физическая теплота чугуна, вносимая в конвер физ тер;
G лом, Qлом - расход и физическая теплота лома;
Gтопл., Qтопл. - расход и теп лота топлива на подогрев лома;
GО - расход кислорода на продувку и подог рев лома;
QФХР - теплота физико-химических реакций в конвертерной ванне;
физ Gг.м., Qг.м. - расход и теплота годного металла;
GКГ, QКГ - расход и физическая теплота отходящего конвертерного газа;
Gшл, Qшл - расход и теплота шлака, образующегося в конвертерной ванне;
Gпыль, Qпыли - унос металла с конвертер ным газом и выбросы металла с выбиванием шлака в виде пыли, и потери те плоты с пылью;
Qпот. - потери теплоты во время продувки в окружающую среду. Химическая энергия КГ, которая в последующем может быть исполь зована в качестве топлива, определяется по формуле:
хим Р (3) QКГ GКГ Qн_КГ Р где Qн_КГ - низшая теплота сгорания КГ.
Для определения общего количества выходящих газов была написана программа, описывающая процессы, происходящие в конвертере. Данная программа производит расчеты с учетом технологии выплавки стали при различных технологиях. В частности подогрев лома до заданной температу ры с подачей угля и кислорода в конвертер позволяет повысить долю лома в металлошихте, уменьшить расход чугуна и выход КГ. Результаты, получен ные с помощью программы, с достаточной точностью совпадают с результа тами экспериментальных плавок.
Характер кривой и количество конвертерных газов, выходящих из кон верторов, зависят от типа кислородно-конвертерного процесса, способа по дачи кислорода, других энергоносителей и присадок, конструкции фурмы и ее положения, типа перерабатываемых чугунов, интенсивности продувки.
Множество влияющих факторов приводит к тому, что фактически каждая продувка имеет свои отличительные особенности, однако все они имеют об щие закономерности, определяемые физико-химическими процессами, про исходящими в ванне конвертера. Поэтому графики выхода газа из конвертера и его состав могут изменяться в определенных границах.
По реальному расходу ки слорода подаваемого GO2() че рез фурму определяется ско рость обезуглероживания dGC/d [кг/с] в каждый момент периода продувки (см. рис 1) и расход конвертерного газа.
c dGc (4) c1 GO2 ( ) d GC ( ) Интегрируя скорость обез углероживания по времени, на ходим количество удаленного углерода. Зная из материально го баланса общее количество углерода металлошихты GСмш [кг], определяем содержание углерода в период продувки:
Рис. 1. Изменение содержания углерода и Gc GСмш dGc (5) скорость обезуглероживания в металло- При выплавке заданной шихте в время процесса продувки.
марки стали задается конечное содержание углерода. По этой величине определяется момент окончания продувки к.
При максимальной скорости обезуглероживания расчетное количество газов, выходящих из конвертера составляет:
dG [м3/c] Vmax 1.866 С, (6) Г d max где (dGC/d)max - максимальная скорость обезуглероживания. Количество конвертерных газов на выходе из горловины конвертера определяется по формуле (7):
к [м3] VКГ 1.866 dGС, (7) и в среднем составляет 60-80м3 на 1 т стали с примерным содержанием CO в течение продувки 85-95%. Полученные результаты являются исходны ми данными, которые используются в последующих главах для расчета газо отводящего тракта и системы использования конвертерных газов.
В третьей главе рассмотрено решение задачи динамического модели рования газоотводящего тракта на основе построения системы дифференци альных уравнений, проведен анализ динамики работы газоотводящего тракта в режиме без дожигания и системы утилизации конвертерного газа.
Условия отвода газов оказывают существенное влияние на вид графиков выхода и состава газов за газоотводящим трактом конвертера. Анализируют ся три варианта отвода газов из конвертера. Режим с полным дожиганием конвертерных газов характеризуется подсосом воздуха через зазор между горловиной конвертера и юбкощй с коэффициентом расхода воздуха 1.
При этом химическая энергия КГ расходуется на выработку пара в котле охладителе конвертерных газов (ОКГ). Для режима с частичным дожиганием в зазоре между горловиной конвертера и ОКГ при нерегулируемом (постоян ном) отводе газов имеет место подсос воздуха с коэффициентом расхода воз духа = 0,2-0,3. В результате чего происходит частичное догорание СО с 90% до 45-55%, содержание двуокиси углерода СО2 составляет при этом 20 25%, как показано на рис. 2 и 3.
Рис. 3. Расходы кислорода, воздуха и Рис. 2. Изменение состава конвер конвертерных газов в процессе про терных газов в процессе продувки.
дувки.
Третий режим – это режим без дожигания. Он представляет наибольший интерес для систем использования химического тепла КГ, так как в этом слу чае содержание СО в КГ составляет 60-70% при коэффициенте расхода воз духа = 0,05-0,11. Выбросы окиси углерода в атмосферу в этом случае ми нимальны, капитальные и эксплуатационные расходы на газоотводящий тракт также меньше по сравнению с двумя предыдущими режимами. При ра боте без дожигания в начале и конце продувки, когда происходит кратковре менный переход через зону неполного сгорания в горловине конвертера (для обеспечения взрывобезопасной работы тракта), выброс CO в атмосферу со ставляет 0.2 м3 на 1 т стали. Схема газоотводящего тракта конвертера пред ставлена на рис. 4.
Рис. 3. Принципиальная схема газоотводящего тракта конвертера: 1 - кисло родный конвертер;
2 – юбка конвертера;
3 – фурма для подачи кислорода на про дувку;
4 – котел охладитель;
5 - впрыски;
6 – первая ступень мокрой газоочитки труб Вентури;
7 –вторая ступень газоочистки трубы Вентури, проходное сечение которого ругулируется полузаслонками;
8 – Подача воды на впрыски;
9 – капле уловитель системы газоочистки;
10 – дымосос;
11 – привод дымососа;
12 – дымо вая труба;
13 – свечи для дожигания конвертерных газов;
14 – гидрозатворы.
Важным направлением работы является рассмотрение режима отвода конвертерных газов без дожигания. Главная цель этого режима получить конвертерный газ с большим содержанием СО, то есть сохранение химиче ской энергии, с целью дальнейшего использования в качестве энергетическо го ресурса в балансе металлургического комбината. Так же это уменьшит расход конвертерного газа по газоотводящему тракту, что в свою очередь приведет к уменьшению расхода электроэнергии на дымосос и расход воды на мокрую систему газоочистки. При этом в начале и в конце продувки рас ход конвертерных газов по тракту минимальный. В результате чего рабочая точка характеристики нагнетателя приближается к зоне неустойчивой работы за линией помпажа.
На газоотводящем тракте ККЦ-2 Западно-Сибирского металлургическо го комбината был проведен натурный эксперимент. Степень открытия шибе ра на второй ступени Вентури (7 на рис. 3) изменялась через каждые 5 минут со 100% до 20% (см. рис. 4). При этом расход КГ уменьшался с 72 до 50 куб.
м/с. Перепад давления на дымососе возрастал с 1820 до 1930 мм. вод. ст. При уменьшении степени открытия шибера с 20% до 10% наблюдались помпаж ные явления, представленные на рис. 5. Во избежание повышения вибрации на подшипниках ротора дымососа были вынуждены приоткрыть шибер.
Таким образом, по результатам испытаний на дымососе было выявлено попадание в неустойчивый режим, на рис 5 представлено колебание рабочей точки на характеристике дымососа в предпомпажный и помпажный период.
Рис. 4. Изменение во времени сте- Рис. 5. Изменения расхода и пере пени открытия шибера, расхода и пада давления в поле характери перепада давления стики дымососа Исследование помпажа на реальном объекте недопустимо в связи с воз никновений аварийных ситуаций. Была поставлена задача исследования помпажных явлений в газоотводящем тракте и системе аккумулирования КГ на математической модели.
Построены математические модели исследуемых газодинамических сис тем. Колебания давления рi и расхода газа Gi описаны дифференциальными уравнениями:
dpi kRT Gi1 Gi, (8) d Vi RTi Gi dGi si (9) pi 1 pi i d li 2 si li pi где i – номер элемента газоотводящего тракта (системы аккумулирова ния КГ), li, si, Vi – длина, сечение и объем i-го элемента, соответственно, R – газовая постоянная, k – показатель адиабаты, i – сумма местных и линей ных сопротивлений элемента.
С помощью математической модели исследована газодинамическая ус тойчивость исследуемой системы при попадании в помпаж, то есть смодели ровано закрытие дросселя на большую величину, чем это необходимо для ус тойчивой работы тракта без помпажа. В последующих расчетах осуществля лось закрытие дросселя на 30-45%.
Рассмотрены два случая возникновения помпажа в газодинамической системе:
с нагнетателем (дымососом) за газоотводящим трактом, работающим под разряжением (рис. 3 и 6);
с нагнетателем (компрессором) и аккумулятором газа, работающим под давлением (рис. 7 и 8).
Рис 6. Изменение давления и расхода при резком закрытии полузаслонок для двух объемов газоотводящего тракта а) 2 тыс м3 и б) 6 тыс м3.
Графики а) и б) рис.6 представляют собой зависимость перепада давле ния, создаваемого нагнетателем, от расхода при разных объемах газоотводя щего тракта.
В качестве критерия оценки газодинамической устойчивости предложе но использовать степень колебания расходов газов (при помпаже) относи тельно исходного состояния kG=Gmax/G0 и степень колебания давления kP=Pmax/P0. Критерии газодинамической устойчивости равны kGа=0,39 и kPа=0,23 для объема газоотводящего тракта Vа = 2 тыс. м3 (рис.6а), kGб=0,23 и kPб=0,08 для Vб = 6 тыс. м3 (рис.6б).
Из полученных графиков можно сделать вывод, что при увеличении объема газоотводящего тракта в системе, работающей под разряжением, ус тойчивость растет.
Принципиальная схема газгольдера с давлением выше атмосферного (или аккумулятора газов под давлением) приведена на рис. 7.
На рис. 8 представлены зависимости давления создаваемого нагнетате лем от расхода при разных объемах системы утилизации конвертерных газов.
Критерии газодинамической устойчивости равны kGа=1,53 (kPа=0,15) для рис.8а, kGб=1,65 (kPб=0,23) для рис.8б.
Рис. 7. Принципиальная схема аккумулирования конвертерных газов.
Рис. 8. Изменение давления и расхода при резком закрытии дросселя для двух объемов системы использования конвертерных газов:
а) 20 тыс м3 и б) 50 тыс м3.
Из полученных графиков можно сделать вывод, что при увеличении объема системы аккумулирования газов, работающей под давлением, устой чивость падает.
Такие расчеты на основе математической модели позволяют точно по добрать объем сиcтемы отвода и утилизации конвертерных газов, и оптими зировать их рабочие параметры;
увязать баланс сталеплавильного производ ства с заводом в целом с определением эффекта экономии от использования схем утилизации КГ. Также возможно оценить эффективность работы систе мы отвода газов от сталеплавильных конвертеров.
Таким образом, полученные результаты могут быть использованы при проектировании газоотводящих трактов и систем аккумулирования и исполь зования горючих ВЭР.
В связи с тем, что периодичность выхода газов из конвертеров зависит от множества случайных факторов, необходимо провести статистические ис следования периодичности выходов КГ с целью определения оптимальной емкости аккумулятора газов для дальнейшего их использования В четвертой главе проведен статистический анализ и статистическое моделирование работы кислородно-конвертерных цехов с конвертерами большой емкости (300 т в ККЦ-2) и малой емкости (160 т в ККЦ-1), рассмот рены вопросы влияния неравномерной периодичности выхода конвертерных газов на выбор оптимальной емкости системы улавливания конвертерных га зов (газгольдера, аккумулятора газов под давлением).
Проведена статистическая обработка и выявление степени неритмично сти работы конвертеров ККЦ-1 и ККЦ-2 ЗСМК. Для двух цехов проведена статистическая обработка данных и получены параметры функций распреде лений для интервалов времени между началами продувок, длительность про дувок и додувок, продолжительность нагрева лома. Параметры распределе ний приведены в табл. 1 и 2.
Неравномерная цикличность продувок существенным образом влияет на неравномерность выхода конвертерных газов, что, в свою очередь, влияет на равномерность подачи конвертерного газа конечному потребителю. Для воз можности использования конвертерного газа в качестве горючих ВЭР было проведено статистическое моделирование аккумулирования конвертерного газа, поступающего как от двух цехов, так и от каждого цеха в отдельности, в газгольдер для десяти вариантов с различной емкостью газгольдера VMAXj j 1,10.
Таблица 1.
Параметры распределений для цехов с конвертерами малой емкости Стан Математи дартное Временные интервалы Распределение ческое откло ожидание нение Логарифмически Время между начала 29,26 13,61 0,03 0,443 3, нормальное рас ми продувок пределение Время между начала- Логарифмически 11,81 3,5 6 0,549 1, ми подогрева лома и нормальное рас продувки пределение Логарифмически Продолжительность 20,63 1,22 11 0,127 2, нормальное рас продувки пределение Логарифмически Продолжительность 12,85 1,10 1 1,183 1, нормальное рас нагрева лома пределение Логарифмически Продолжительность 1,24 0,87 0,0 0,632 0, нормальное рас додувок пределение Таблица 2.
Параметры распределений для цехов с конвертерами большой емкости Стан Математи дартное Временные интервалы Распределение ческое откло ожидание нение Логарифмически Время между начала 41,03 12,8 13,78 0,415 3, нормальное рас ми продувок пределение Время между начала- Логарифмически 11,3 4,83 5,0 0,680 1, ми подогрева лома и нормальное рас продувки пределение Логарифмически Продолжительность 18,44 1,34 11 0,180 1, нормальное рас продувки пределение Продолжительность Нормальное рас 6,23 1,54 - 0,243 1, нагрева лома пределение Логарифмически Продолжительность до- 4,48 0,71 0,0 0,159 1, нормальное распре дувок деление Математическое моделирование предусматривает организацию процесса имитации периодического поступления конвертерных газов от кислородно конвертерного цеха в соответствии с генерированием случайной величины времени между началами продувок текущей и следующей за ней по формуле.
МНП = +exp(*RN+), (10) где RN = N: {0, 1} – случайная величина, имеющая нормальное распределе ние с нулевым средним и единичным стандартным отклонением.
Результаты, полученные методом статистического моделирования, не избежно носят случайный характер. Для большей надежности результатов статистического моделирования было выбрано значение срока моделирова ния равным КОН 6200час.
В качестве переменной состояния было выбрано количество полезно ак кумулированного газа V j. Возрастая в период продувки и снижаясь в меж продувочный период, когда нет поступления газа от кислородно конвертерного цеха. Vj изменялась в пределах от 0 до VMAXj. По мере дос тижения нижнего и верхнего пределов осуществлялась фиксация количества случаев и суммарное время нахождение газгольдера, соответственно, в раз реженном и переполненном состоянии за моделируемый период.
Статистическое моделирование позволило рассчитать годовые затраты, связанные с выбросами КГ из-за переполнения емкости газгольдера и с за мещением КГ природным газом при полном разряжении, для каждого из де сяти вариантов емкости газгольдера при использовании конвертерного газа от двух цехов и от каждого цеха в отдельности.
Зависимость приведенных затрат представлена на (рис. 9), где кривая «CГ» - сумма приведенных к году капитальных затрат, амортизации, текуще го ремонта оборудования;
кривые «PККЦ1», «PККЦ2», «PСПП» - затраты, вызван ные потерями КГ при переполнении газгольдера, и перерасход замещаемого топлива во время разрядки газгольдера, соответственно, для ККЦ-1, ККЦ-2 и сталеплавильного производства (СПП). Кривые «SККЦ1», «SККЦ2», «SСПП».суммарные затраты, включающие суммы вышеприведенных затрат.
Рис. 9. Зависимость приведенных затрат на установку от полезной емкости газгольдера.
По минимальному значению суммарных затрат были определены опти мальные рабочие емкостей газгольдеров для трех случаев:
для цеха ККЦ-1 оптимальная емкость газгольдера составляет 48 тыс. м3, для ККЦ-2 - 64 тыс. м3, для всего СПП 82 тыс. м3.
Для аккумулирования КГ от ККЦ-2 требуется емкость газгольдера больше чем для ККЦ-1, основной причиной этого является то, что в первом цехе 3 конвертера, а во втором 2, поэтому в ККЦ-1 длительность интервала в течении которого требуется аккумулировать конвертерный газ в среднем равна, АКК=МНП-П=29,26-20,63=8,63мин., а во втором цехе АКК=22,59 мин., где МНП - время между началами продувок, П - длительность продувки. Та ким образом, при проектировании систем аккумулирования КГ емкость газ гольдеров выбирается пропорционально емкости конвертеров и обратно про порционально количеству конвертеров. Если СПП состоит из 2-х кислородно конвертерных цехов, то оптимальную емкость газгольдера для СПП в целом рекомендуется выбирать на 20-25% меньше, чем сумма емкостей газгольде ров для каждого из цехов.
Пятая глава посвящена оптимизации энерготехнологических характе ристик сталеплавильного производства с использованием конвертерных га зов. Дана оценка влияния использования КГ в качестве горючих ВЭР на топ ливно-энергетический баланс усредненного металлургического комбината (УМК) производительностью 7.52 млн.т проката/год при производительности кислородно-конвертерных цехов 5.2 млн. т стали/год. Проведена оптимиза ция энерготехнологической системы конвертерного производства стали и ме таллургического комбината в целом на основе развития и применения про граммно-информационной системы «ОптиМет». Определен экологический эффект совершенствования сталеплавильного производства.
Автором разработан программный модуль расчета конвертерной плавки и газоотводящего тракта, который был встроен в программно информацион ный комплекс «ОптиМет».С помощью программы «ОптиМет» проведена оп тимизация СПП УМК по энергетическому и экологическому критериям в на правлениях:
1) совершенствование структуры СПП за счет полного перехода на не прерывную разливку стали, в результате чего сокращаются вредные выбро сы, повышается выход годного проката, снижается энергопотребление мет комбината на 400 тыс. т у.т. в год при неизменном объеме проката;
2) снижение энергопотребления в конвертерном производстве стали до уровня лучших зарубежных фирм: кислорода (на 10-20 м3/т), электроэнергии (на 5-8 кВт-ч/т);
3) максимально возможное использование ВЭР сталеплавильного произ водства, включая реализацию режимов отвода газов конвертера без дожига ния с коэффициентом расхода воздуха = 0.05 – 0.11, использование конвер терного газа (150 – 180 тыс. т у.т./год) и пара охладителей конвертерных га зов;
4) совершенствование конвертерного производства стали за счет дожи гания СО в конвертере, применения комбинированной продувки, подачи угля в конвертер, что позволяет сократить долю чугуна в металлошихте конверте ра на 10% и, соответственно, уменьшить производство агломерата и кокса и связанные с ними вредные выбросы.
На рис. 10 показано влияние оптимизируемых параметров на целевую функцию – минимум потребления ТЭР на комбинате. По результатам опти мизационных расчетов снижение потребления ТЭР на металлургическом комбинате составило 542 тыс. т у.т.: а) за счет подачи угля в конвертер ( тыс. т у.т.);
б) дожигания газов в конвертерах (146 тыс. т у.т.);
в) комбиниро ванной продувки (138 тыс. т у.т.);
г) использования КГ при отводе без дожи гания (137 тыс. т у.т.).
Оценка величины стоимости среднестатистической жизни (ССЖ) для России проводилась через сопоставление валового внутреннего продукта (ВВП) на душу населения в различных странах. В пересчете на 2009 год для условий России величина ССЖ = 30 млн.руб. без учета паритета покупатель ской способности (ППС) или VOSL = 2 млн.$ (Value of Statistical Life) с уче том ППС. Величина ССЖ для оценки ущерба от вредных выбросов отражает социальные потери общества и государства. Результаты расчета снижения ущерба от воздействия вредных УМК на здоровье населения при оптимиза ции СПП приведены в табл. 3.
Рис.10. Влияние оптимизируемых параметров на целевую функцию, 1- подача угля в конвертерах;
2- дожигание КГ;
3 комбинированная продувка;
4- использование КГ;
5 – дожигание газа в охладителей конвертерных газов.
Таблица 3.
Снижение воздействие на здоровье населения и ущерба от выбросов УМК при оптимизации СПП Функция Окрестности Новокузнецка доза-эффект, Ущерб с Уровень Вредные Ущерб без (смерт./год) Смерт- учетом ущерба вещества учета ППС чел(мкг/м3) ность ППС млн.руб.
млн.руб.
- *РМ10 40 2047 1, - SO2 2 114 0, - Локальный NOX 2 114 0, - CO 1 57 0. Итого 45 2331 *РМ10-мелкодисперсная пыль с размером частиц менее 10 мкм.
В целом программно-информационная система «ОптиМет» представляет собой работоспособный высокоэффективный инструмент формирования и оценки реализации стратегии и тактики энергосбережения в рамках ком плексной системы управления металлургического комбината полного цикла.
Оптимизация сталеплавильного производства энерготехнологической системы УМК по энергетическому и экологическому критериям позволит:
а) уменьшить количество вредных выбросов (частиц пыли, SO2, NOX, CO) и парниковых газов на 17-23%;
б) уменьшить воздействие на здоровье населения на прилегающих терри ториях крупного металлургического центра, при этом смертность сократится на 45 человека и снизится ущерб здоровью населения на 1220 млн. руб. без учета ППС или на 2331 млн. руб. с учетом ППС;
в) получить энергосберегающий эффект – 542 тыс. т у.т./год экономии энергоресурсов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Впервые установлено, что при уменьшении объема рабочей камеры газодинамическая система под давлением становится более устойчивой, а в системе под разряжением с уменьшением объема газодинамическая устойчи вость падает.
Показано, что при проектировании газоотводящего тракта и системы использования КГ необходимо учитывать, что:
o с увеличением объема газоотводящего тракта сталеплавильного конвертера, работающего под разряжением, газодинамическая ус тойчивость возрастает, o с увеличением объема газоотводящего тракта сталеплавильного конвертера, работающего под разряжением, газодинамическая ус тойчивость наоборот возрастает Выявлены статистические закономерности последовательности рабо ты конвертеров с подогревом лома во взаимосвязи с выходом конвертерных газов. Для продолжительности нагрева лома, продувок, додувок и интервалов времени между началами продувок для цехов с конвертерами большой и ма лой емкости установлен логарифмически нормальный закон распределения и найдены его параметры.
Определены оптимальные емкости газгольдера по критерию мини мального значения суммарных затрат. Для цехов с конвертерами малой емко сти оптимальный объем газгольдера составляет 48 тыс. м3, для цехов с кон вертерами большой емкости - 64 тыс. м3, при работе конвертеров обоих це хов - 82 тыс. м3.
На основе полученных результатов определен потенциал энергосбе режения при использовании конвертерного газа в качестве вторичного энер гетического ресурса, который составляет 210 тыс.т у.т./год для ЗСМК при производстве 6.5 млн.т стали.
Показано, что потенциал экономии топливно-энергетических ресурсов с учетом использования КГ в качестве ВЭР на металлургическом комбинате за счет оптимизации сталеплавильного производства составляет 542 млн. т у.т./год.
Показано, что оптимизация сталеплавильного производств энерготех нологической системы усредненного металлургического комбината произво дительностью 7.52 млн.т проката в год по энергетическому и экологическому критериям позволит: а) уменьшить количество вредных выбросов (частиц пыли, SO2, NOX, CO) и парниковых газов на 17-23%;
б) уменьшить воздействие на здоровье населения на прилегающих террито риях крупного металлургического центра, при этом смертность сократится на 45 человека и снизится ущерб здоровью населения на 1220 млн. руб. без уче та ППС или на 2331 млн. руб. с учетом ППС.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 1. Султангузин И.А., Исаев М.В., Курзанов С.Ю. Оптимизация кок сохимического и сталеплавильного производств по энергетическому и экологическому критериям // Металлург. - 2010. - № 9. – С. 51-55.
2. Султангузин И.А., Исаев М.В., Курзанов С.Ю. Снижение энерго потребления и вредного воздействия на окружающую среду при оптими зации коксохимического и сталеплавильного производств // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 2010. - № 12. – С. 56-60.
3. Курзанов С.Ю, Яворовский Ю.В. Хромченков В.Г., Совершенствова ние использования конверторных газов в схеме с аккумуляторами тепла // Те зисы докладов 12-ой международной научно-технической конференции сту дентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Мо сква, 2-3 марта 2006 г. С. 469-470.
4. Курзанов С.Ю, Султангузин И.А., Хромченков В.Г., Яворовский Ю.В. Определение выходов газов из конвертера на основе математического моделирования сталеплавильного процесса // Тезисы докладов 13-ой между народной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радио электроника, электротехника и энергетика». Москва, 1-2 марта 2007 г. С. 497 498.
5. Курзанов С.Ю, Султангузин И.А., Хромченков В.Г., Яворовский Ю.В. Определение выходов газов из конвертера на основе математического моделирования сталеплавильного процесса // 14-ая Международная научно техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, элек тротехника и энергетика». Москва, 28-29 февраля 2008: Тез. докл. В 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. Т. 2. – С. 397-398.
6. Курзанов С.Ю., Султангузин И.А., Яворовский Ю.В., Хромченков В.Г., Мантула В.Д. Определение выхода газов из конвертера на основе мате матического моделирования сталеплавильного процесса // Труды 4-ой Все российской школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбе режение – теория и практика». Изд-во МЭИ. Москва, 15-17 октября 2008 г. С. 280-283.
7. Курзанов С.Ю, Султангузин И.А., Хромченков В.Г., Яворовский Ю.В. Повышение энергетической эффективности сталеплавильного произ водства на основе энергосберегающих мероприятий // 15-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектрони ка, электротехника и энергетика». Москва, 26-27 февраля 2009: Тез. докл. В 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. Т. 2. – С. 450-451.
8. Курзанов С.Ю, Султангузин И.А., Хромченков В.Г., Яворовский Ю.В. Разработка динамической модели газоотводящего тракта сталеплавиль ного конвертера // 16-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».
Москва, 25-26 февраля 2010: Тез. докл. В 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Т. 2. – С. 478-480.
9. Султангузин И.А., Исаев М.В., Курзанов С.Ю. Оптимизация коксохи мического и сталеплавильного производств по энергетическому и экологиче скому критериям // Материалы V-ой Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов». Москва, 27 29 сентября 2010 г. - М.: Издательство МИСиС, 2010. – С. 425- 434.
10. Sultanguzin I.A., Isaev M.V., Kurzanov S.Yu. Optimizing the produc tion of coke, coal chemicals, and steel on the basis of environmental and energy criteria // Metallurgist. – Vol. 54. - 2010. – No.9-10. - P. 600–607.
11. Sultanguzin I.A., Isaev M.V., Kurzanov S.Yu. Reducing Energy Con sumption and Toxic Emissions by Optimization of Coke and Steel Production // Steel in Translation. – Vol. 40. - 2010. – No.12. - P. 1053-1057.
12. Курзанов С.Ю, Султангузин И.А. Динамическое моделирование газоотводящего тракта конвертера и системы утилизации конвертерных газов // 12-я Всероссийская научно-практическая конференция «Энергетики и ме таллурги настоящему и будущему России». – Магнитогорск, 15 мая 2011:
Тез. докл. – Магнитогорск: МГТУ им. Носова, 2011 г. C. 111-113.
13. Курзанов С.Ю, Федюхин А.В., Султангузин И.А. Анализ стати стической закономерности работы конверторов и баланса плавки при нагреве лома твердым топливом // 12-я Всероссийская научно-практическая конфе ренция «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России». – Маг нитогорск, 15 мая 2011: Тез. докл. – Магнитогорск: МГТУ им. Носова, 2011 г.
С. 114-116.